CN107060695B - 一种游梁式抽油机节能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种游梁式抽油机节能控制系统，包括控制器和变频器、设于井口悬绳器上的载荷传感器、设于游梁下方的位移传感器、设于电机轴输出端的转速传感器、设于抽油机上的电参采集模块。本发明提供的这种游梁式抽油机节能控制系统，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，通过冲次调整、间抽及随动控制，满足了一个冲程周期内油井的精细化控制，从而实现油井的节能降耗以及减少运行设备的损耗。

Description

一种游梁式抽油机节能控制系统及方法

技术领域

本发明属于机采系统数字化技术领域，具体涉及一种游梁式抽油机节能控制系统及方法。

背景技术

目前应用的游梁式抽油机有杆泵采油方式虽然具有结构简单、结实耐用、技术成熟等优点，但也存在杆管偏磨、传动环节多、系统效率提升空间小等固有难题。由于抽油机的负载是一种带有冲击性的交变负载，而目前抽油机拖动电机主要是采用三相异步电机，该电机适应于负载不变的工况，这就造成了电机与负载的不匹配。导致电机长期处于低负荷下运行，无法达到额定效率范围，电机能量损耗高，从而影响油井整体的系统效率水平。

针对上述问题，长庆油田研发并推广应用了大量的数字化抽油机，主要由抽油机本体、智能控制柜、传感器、平衡调节装置等组成，就是在常规游梁式抽油机的基础上，具备功图和电参数据的自动采集、自动调节平衡、自动调节冲次（冲次的高低直接影响电能消耗的多少）、自动调节电机转速并能远程控制等功能，但仍然不能满足现场应用需要，对于低液量、间歇出液井还缺乏很好的适应性，同时根据实际地层出液情况自适应控制但电机转速控制是以一个冲程周期（抽吸周期）为最小单元进行控制，而未做到一个冲程周期的每一个点转速都进行控制匹配，还没完全实现抽油机合理、高效运行。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的上述问题，通过在每一个抽吸周期的每一个点都进行电机与负载的控制匹配，实现机采系统效率的提升、及能耗降低的目标。

为此，本发明提供了一种游梁式抽油机节能控制系统，包括控制器和变频器、设于井口悬绳器上的载荷传感器、设于游梁下方的位移传感器、设于电机轴输出端的转速传感器、设于抽油机上的电参采集模块；

所述控制器包括井口采集器、RTU控制单元、显示模块、操作单元，所述电参采集模块用于获取抽油机电机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送至RTU控制单元所述井口采集器、显示模块、操作单元均与RTU控制单元电连接，所述载荷传感器和位移传感器均与井口采集器输入端电连接，所述井口采集器用于采集载荷电信号和位移电信号，所述电参采集模块输出端和转速传感器输出端均与RTU控制单元输入端连接，所述RTU控制单元输出端与变频器电连接，所述变频器与电机电连接。

所述转速传感器输出端与RTU控制单元输入端无线连接。

所述实时运行状态参数包括功率、电流值、电压值。

本发明还提供了一种游梁式抽油机节能控制方法，使用游梁式抽油机节能控制系统，包括以下步骤：

步骤1）载荷传感器和位移传感器分别对抽油机抽油杆载荷、位移进行采集，并以一个抽吸周期内位移为横坐标、载荷为纵坐标，得到光杆示功图；

载荷和位移电信号通过电缆线传至井口采集器，之后上传至RTU控制单元进行运算求解得到抽油泵示功图；

步骤2）转速传感器将转速电信号发送至RTU控制单元，电参采集模块对油机电机的实时运行状态参数进行采集，将电机功率上传至RTU控制单元；

步骤3）RTU控制单元根据光杆示功图判断油井工况、抽油泵示功图得出的有效冲程、一个抽吸周期电机转速和电机功率的状态曲线，判定油井适合以下哪种控制策略进行油井节能控制：调整冲次和随动控制还是间抽和随动控制，通过操作单元调整冲次或启停抽油机，同时RTU控制单元运算得出电机转速分布和电流频率f分布，发送给变频器，控制电机运行实现节能。

所述调整冲次具体过程为：由抽油泵示功图得出的有效冲程小于油井工况的对应量时，冲次调小，反之则调大，冲次调整幅度1%~5%，将调整后3-4小时内的平均有效冲程与调整前的等时间段内平均有效冲程进行比较，如果平均有效冲程不变化，可继续调小或调大冲次，直到产液量趋于平稳。

所述间抽适用于冲次已达到最小值，无法再往小调整的情况，所述间抽由RTU控制单元计算电机运行及停止时间，通过操作单元启停实现节能。

所述随动控制具体过程为：RTU控制单元根据电机功率和电机转速初始状态曲线，通过改变电机转速来调节电机功率，使电机功率趋于平稳，所述电机转速通过变频器控制电流频率实现。

所述光杆示功图和抽油泵示功图每天采集数不少于110张，且一个抽吸周期内测取载荷及位移数据不少于200个。

所述一个抽吸周期内测取电机转速数据不少于200个。

本发明的有益效果是：本发明提供的这种游梁式抽油机节能控制系统，根据实际出液情况给出最合理的控制方法，通过冲次调整、间抽及随动控制，满足了一个冲程周期内油井的精细化控制，从而实现油井的节能降耗以及减少运行设备的损耗。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是抽油泵示功图；

图3是电机功率和电机转速初始状态曲线；

图4是目标状态曲线。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种如图1所示的游梁式抽油机节能控制系统，包括控制器和变频器、设于井口悬绳器上的载荷传感器、设于游梁下方的位移传感器、设于电机轴输出端的转速传感器、设于抽油机上的电参采集模块；

所述控制器包括井口采集器、RTU控制单元、显示模块、操作单元，所述电参采集模块用于获取抽油机电机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送至RTU控制单元所述井口采集器、显示模块、操作单元均与RTU控制单元电连接，所述载荷传感器和位移传感器均与井口采集器输入端电连接，所述井口采集器用于采集载荷电信号和位移电信号，所述电参采集模块输出端和转速传感器输出端均与RTU控制单元输入端连接，所述RTU控制单元输出端与变频器电连接，所述变频器与电机电连接。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种游梁式抽油机节能控制系统，所述转速传感器输出端与RTU控制单元输入端无线连接。

所述实时运行状态参数包括功率、电流值、电压值。

本发明原理：通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量，采集载荷与时间、位移与时间曲线，获得光杆示功图，载荷和位移电信号通过电缆线传至井口采集器，上传至RTU控制单元进行运算得抽油泵示功图，在抽油机上安装电参采集模块，对抽油机电机的三相电流、电压、电机功率进行同步采集，电参采集模块将电机功率上传至RTU控制单元，在电机轴输出端安装转速传感器，同步采集电机输出轴转速，电机轴转速数据通过无线传输模块发送至RTU控制单元，RTU控制单元计算电机运行及停止时间、电机转速、转速ω分布和电流频率f分布，并将参数发送给变频器，变频器通过控制电流频率、工作时间控制电机运行，达到抽油机节能控制的目的。

其中，操作单元由启动按钮、停止按钮、复位按钮、冲次调节旋钮、手动冲次调节旋钮、平衡调节旋钮、手动平衡调节按钮、方向转换旋钮组成。其作用是对抽油机进行现场操作，实现调整冲次、启动、停止、转向等功能。显示模块是显示抽油机的运行参数、示功图。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种游梁式抽油机节能控制方法，包括以下步骤：

步骤1）载荷传感器和位移传感器分别对抽油机抽油杆载荷、位移进行采集，并以一个抽吸周期内位移为横坐标、载荷为纵坐标，得到光杆示功图；

载荷和位移电信号通过电缆线传至井口采集器，之后上传至RTU控制单元进行运算求解得到抽油泵示功图；

步骤2）转速传感器将转速电信号发送至RTU控制单元，电参采集模块对油机电机的实时运行状态参数进行采集，将电机功率上传至RTU控制单元；

步骤3）RTU控制单元根据光杆示功图判断油井工况、抽油泵示功图得出的有效冲程、一个抽吸周期电机转速和电机功率的状态曲线，判定油井适合以下哪种控制策略进行油井节能控制：调整冲次和随动控制还是间抽和随动控制，通过操作单元调整冲次或启停抽油机，同时RTU控制单元运算得出电机转速分布和电流频率f分布，发送给变频器，控制电机运行实现节能。

如图2所示，确定下冲程游动阀闭合点和游动阀开启点，这两点的距离即为有效冲程，反应了抽油泵的充满程度，由此可判断油井供排是否平衡，从而对冲次进行调整。

其中，调整冲次具体过程为：由抽油泵示功图得出的有效冲程小于油井工况的对应量时，冲次调小，反之则调大，冲次调整幅度1%~5%，将调整后3-4小时内的平均有效冲程与调整前的等时间段内平均有效冲程进行比较，如果平均有效冲程不变化，可继续调小或调大冲次，直到产液量趋于平稳。

所述间抽适用于冲次已达到最小值，无法再往小调整的情况，所述间抽由RTU控制单元计算电机运行及停止时间，通过操作单元启停实现节能。

所述随动控制具体过程为：RTU控制单元根据电机功率和电机转速初始状态曲线，通过改变电机转速来调节电机功率，使电机功率趋于平稳，所述电机转速通过变频器控制电流频率实现。如图3所示为一个抽吸周期电机转速和功率的初始状态曲线，通过改变电机转速来调节电机的输出功率，降低高功率区的转速以降低输出功率、提高低功率区的转速以提高输出功率，实现对电机输出功率和输出扭矩的重新分布，使电机功率趋于平稳，平直且绝对值低，达到“削峰填谷”的目的，即实现目标状态曲线（见图4），这是电机达到节能的核心。

当连续三天泵的平均充满系数低于50%时（可进行设置），先进行冲次调整，并优化一个冲程周期内电机运转速度，进行功率随动控制，达到“削峰填谷”的目的，如果冲次已经达到最小值，连续三天泵的平均充满系数仍低于50%，开展油井间抽，确定出最佳间开时间，开井过程中优化一个冲程周期内电机运行转速，实现功率随动控制。

载荷与时间、位移与时间的采集频率根据油田产量和出液规律，确定每一口油井巡测一组示功图数据的频率，对低产井宜采用10分钟的频率，且一天采集的有效功图数不少于110张。一个抽吸周期内测取数据组点数不少于200个。一个抽吸周期内测取电机转速数据不少于200个。实现电机与负载的控制匹配，实现机采系统效率的提升、及能耗降低的目标。

本发明中的RTU控制单元、电参采集模块均为现有技术，以上各实施例没有详细叙述的方法和结构属本行业的公知常识，这里不一一叙述。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种游梁式抽油机节能控制方法，使用一种游梁式抽油机节能控制系统，该系统包括控制器和变频器、设于井口悬绳器上的载荷传感器、设于游梁下方的位移传感器、设于电机轴输出端的转速传感器、设于抽油机上的电参采集模块；

所述控制器包括井口采集器、RTU控制单元、显示模块、操作单元，所述电参采集模块用于获取抽油机电机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送至RTU控制单元；所述井口采集器、显示模块、操作单元均与RTU控制单元电连接，所述载荷传感器和位移传感器均与井口采集器输入端电连接，所述井口采集器用于采集载荷电信号和位移电信号，所述电参采集模块输出端和转速传感器输出端均与RTU控制单元输入端连接，所述RTU控制单元输出端与变频器电连接，所述变频器与电机电连接；

所述转速传感器输出端与RTU控制单元输入端无线连接；

所述实时运行状态参数包括功率、电流值、电压值；

具体方法包括以下步骤：

步骤1）载荷传感器和位移传感器分别对抽油机抽油杆载荷、位移进行采集，并以一个抽吸周期内位移为横坐标、载荷为纵坐标，得到光杆示功图；

载荷和位移电信号通过电缆线传至井口采集器，之后上传至RTU控制单元进行运算求解得到抽油泵示功图；

步骤2）转速传感器将转速电信号发送至RTU控制单元，电参采集模块对油机电机的实时运行状态参数进行采集，将电机功率上传至RTU控制单元；

步骤3）RTU控制单元根据光杆示功图判断油井工况、抽油泵示功图得出的有效冲程、一个抽吸周期电机转速和电机功率的状态曲线，判定油井适合以下哪种控制策略进行油井节能控制：调整冲次和随动控制还是间抽和随动控制，通过操作单元调整冲次或启停抽油机，同时RTU控制单元运算得出电机转速分布和电流频率f分布，发送给变频器，控制电机运行实现节能；

所述调整冲次具体过程为：由抽油泵示功图得出的有效冲程小于油井工况的对应量时，通过操作单元调小冲次，反之则调大，冲次调整幅度1%~5%，将调整后3-4小时内的平均有效冲程与调整前的等时间段内平均有效冲程进行比较，如果平均有效冲程不变化，继续调小或调大冲次，直到产液量趋于平；

所述间抽适用于冲次已达到最小值，无法再往小调整的情况，所述间抽由RTU控制单元计算电机运行及停止时间，通过操作单元启停实现节能；

所述随动控制具体过程为：RTU控制单元根据电机功率和电机转速初始状态曲线，计算电机负载扭矩Tm，再根据电机负载扭矩Tm和设定冲次n，计算电机转速分布和电流频率f分布，发送给变频器；

所述光杆示功图和抽油泵示功图每天采集数不少于110张，且一个抽吸周期内测取载荷及位移数据不少于200个；

所述一个抽吸周期内测取电机转速数据不少于200个。

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